深水基础锁扣钢管桩围堰施工过程仿真分析.pdf

年 第 期(总第 期)黑龙江交通科技 .(.)深水基础锁扣钢管桩围堰施工过程仿真分析孙俊昌张 晨余学林(中南检测技术有限公司湖北 武汉)摘 要:针对深水基础锁扣钢管桩围堰施工安全问题结合某斜拉桥主墩深水基础锁扣钢管桩围堰工程采用 有限元程序建立钢围堰整体模型仿真分析施工过程 计算分析得到锁扣钢管桩围堰受力规律、稳定性和变形情况 研究成果给出了确保深水基础锁扣钢管桩围堰施工安全的关键点和结构合理优化建议关键词:深水基础锁扣钢管桩围堰施工过程数值分析结构优化中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:收稿日期:作者简介:孙俊昌()男河南人硕士工程师主要从事桥梁工程 建造水下基础的关键是解决深水带来的一系列问题 如何在深水中安全、迅速、经济地建设桥梁下部结构已成为国内外工程人员重点研究的问题 基坑围堰的应用越来越多具体形式也较多有钢筋混凝土或预应力混凝土板桩围堰、双壁钢围堰、单壁钢围堰和锁扣桩围堰等多种围堰形式 而锁扣钢管桩围堰结构稳定施工周期短施工桩基时即可插打钢管桩对起重设备要求低材料可回收利用适用于软弱覆盖地层河床 为确保锁扣钢管桩围堰结构安全施工前需进行施工过程仿真分析掌握钢围堰的应力分布规律、稳定性和变形情况 工程概况某斜拉桥主墩桩基承台及塔座施工采用锁扣钢管桩围堰钢管桩为 锁扣为 和 型钢组合形式大小钢管间两侧采用竖向加劲板加固并与连接的钢管满焊 钢管切口与下一段的 型钢咬合锁扣内压注防水材料 顺桥向每侧打设 根锁扣钢管横桥向每侧打设 根锁扣钢管按矩形布置围堰钢管平面尺寸为.钢管桩设计长度为(桩顶标高.桩底标高.)打入承台以下 第一层围囹、第二层围囹采用 型钢第三层围囹、第四层围囹采用 型钢斜撑采用 型钢斜撑、斜撑采用 钢管封底混凝土为 厚的 混凝土钢构件为 钢材根据当地水文气象资料取钢围堰外设计水位标高为.钢围堰施工流程钢围堰关键施工流程如下插打锁扣钢管桩(同时进行桩基施工)下放各层围囹完整安装第一层围囹清理钢围堰底总第 期黑龙江交通科技第 期部淤泥在钢围堰封底混凝土四角位置插打抗拔钢管桩清理桩基钢护筒、锁扣钢管桩、封底混凝土抗拔钢管桩表面泥巴(确保封底混凝土与其良好黏结)浇筑封底混凝土水下完整安装第三层内撑中间三根长内撑杆全部安装 安装必须确保围囹与锁扣钢管桩紧密连接水下安装一部分第四层内撑通过短內撑将围囹与桩护筒连接确保围囹与锁扣钢管桩紧密连接在第四层围囹与钢护筒之间安装短内撑抽水至.水位完整安装第二层内撑确保围囹与锁扣钢管桩紧密连接抽水至.水位加固第三层内撑抽水至 .水位完善安装第四层内撑(四角四根斜内撑和中间三根长内撑杆)抽水至封底混凝土承台施工、拆除第四层内撑承台下部与锁扣桩之间空隙填筑砂土承台顶(标高.)与锁扣桩接触位置浇筑 厚 混凝土作为圈梁拆除第三层内撑围堰内回水至.水位拆除第二层两端两根长内撑杆围堰内回水至.水位拆除第一层内撑和第二层内撑拆除所有锁扣钢管桩 有限元模型使用 有限元程序建立钢围堰整体模型进行施工阶段仿真分析 荷载:考虑自重、静水压力、流水压力、风荷载及土压力根据具体情况施加在不同施工阶段边界条件:钢管桩底部边界条件为铰接桩基钢护筒底部边界条件为固结第一层和第二层内撑的围囹与锁扣钢管桩之间为刚性连接由于第三层和第四层内撑是水下安装与锁扣钢管桩之间的连接采用刚性连接但释放转动自由度承台浇筑完毕后承台顶与锁扣钢管桩之间浇筑混凝土作为圈梁边界条件采用节点弹性支撑只约束锁扣钢管桩向围堰内侧的位移自由度钢管桩插入土中部分按照“”法建立节点弹性支撑单元:钢构件为梁单元封底混凝土利用实体单元模拟 锁扣钢管桩围堰整体有限元模型如图 所示 计算工况要确保锁扣钢管桩围堰受力安全可靠必须保证各层围囹与周围锁扣钢管桩紧密连接防止钢围图 锁扣钢管桩围堰整体有限元模型堰受力前期产生过大变形 钢围堰设计水位标高为.根据钢围堰施工流程及结构受力特点施工过程仿真分析共设置 个计算工况如表 所示表 钢围堰计算工况工况工况描述一完整安装第一层内撑吸泥至封底混凝土底面二浇筑封底混凝土三水下完整安装第三层内撑水下安装第四层围囹及短支撑抽水至.水位四完整安装第二层内撑抽水至.水位五检查加固第三层内撑抽水至.水位六完善安装第四层内撑抽光水(封底混凝土顶面标高为.)七承台施工拆除第四层内撑八浇筑承台周围圈梁(圈梁与承台顶标高 .)拆除第三层内撑九回水至.水位拆除第二层内撑两端两根长内撑杆十回水至.水位拆除第一层和第二层内撑 计算分析结果工况六为抽光水的阶段此时围堰内外水压力差最大接下来施工承台工况七在承台施工完毕围堰拆除第四层内撑 围堰在这两个工况受力最为不利因此重点分析这两个最不利工况的计算结果.工况六计算分析结果()锁扣钢管桩围堰受力情况锁扣钢管桩围堰最大组合应力如图 所示由图 可知最大组合应力为 .发生在第第 期孙俊昌张 晨余学林:深水基础锁扣钢管桩围堰施工过程仿真分析总第 期一层内撑的围囹 第三层内撑的内撑杆最大组合应力为.图 工况六锁扣钢管桩围堰最大组合应力图(单位:)()锁扣钢管桩围堰变形情况锁扣钢管桩围堰最大变形为.发生在迎水面锁扣钢管桩顶部()第三层内撑中间长内撑杆稳定性验算中间长内撑杆为受压弯构件根据钢结构设计标准()进行稳定性计算中间长内撑杆长度 .计算长度 .其中计长度系数 .钢管的惯性半径 .长细比 /./.由此可得稳定系数.弯矩作用平面内的稳定计算(.).符合规范要求.工况七计算分析结果()锁扣钢管桩围堰受力情况锁扣钢管桩围堰最大组合应力为.发生在第一层内撑的围囹 第三层内撑的内撑杆最大组合应力为.()锁扣钢管桩围堰变形情况锁扣钢管桩围堰最大变形为.发生在迎水面锁扣钢管桩顶部()第三层内撑中间长内撑杆稳定性验算同理可得(.).符合规范要求.整体稳定性分析在工况七对钢围堰进行整体稳定性分析根据围堰内外水位变化确定屈曲分析荷载组合项 不变荷载:围堰自重、土压力可变荷载:风荷载、封底混凝土上浮力、围堰外.流水压力、围堰外.至.静水压力 计算结果如图 所示第三层内撑杆最先屈曲临界荷载系数 .钢围堰整体稳定性满足要求图 工况七锁扣钢管桩围堰整体稳定性分析 结 语施工过程中必须保证锁扣钢管桩围堰各层围囹与周围锁扣钢管桩紧密连接防止钢围堰受力前期产生过大变形才能确保钢围堰受力安全可靠计算分析得到锁扣钢管桩围堰在整个施工过程中受力较安全 其中第一层内撑与第三层内撑受力最大在围堰受力中起重要作用 钢围堰的内撑杆为长细杆易发生失稳破坏建议抽水至.时在第一层长内撑杆和第二层长内撑杆之间安装横向连接杆与竖向连接杆抽水至.时在第二层长内撑杆和第三层长内撑杆之间安装横向连接杆与竖向连接杆 研究成果给出了确保深水基础锁扣钢管桩围堰施工安全的关键点和结构合理优化建议参考文献:王军.浅滩裸岩区锁扣桩围堰施工技术方案研究.铁道建筑:.姚德波殷新锋.基坑锁扣钢管桩围堰的受力行为分析.中外公路():.中交公路规划设计院有限公司.公路桥涵设计通用规范:.北京:人民交通出版社股份有限公司.中交公路规划设计院有限公司.公路桥涵地基与基础设计规范:.北京:人民交通出版社股份有限公司.中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计标准:.北京:中国建筑工业出版社.